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Osciloscopio de bajo costeEn la imagen vemos los bloques de un osciloscopio analógico. Primerovemos el circuito a analizar y la sonda por donde se introducirá la señal alosciloscopio. Esta señal se dirige hacia un atenuador-amplificador de lasección vertical. Que sea atenuador o amplificador depende de cómotengamos el mando de control del amplificador, el cual variará la gananciadel amplificador operacional. A la salida de este bloque, nos dirigimosdirectamente a las placas de deflexión verticales, que son las encargadas dedesviar el haz de electrones que representa la onda. Este haz de electronesviene del cátodo y se ve gracias a una capa fluorescente que hay en lapantalla. Las placas se moverán hacia arriba cuando la señal sea positiva yhacia abajo cuando esta sea negativa.La señal, amplificada o atenuada, también se dirigirá al bloque de disparo,el cual realiza el barrido horizontal. Este se encarga de mover de izquierda aderecha las placas horizontales en un tiempo determinado. Este movimientode izquierda a derecha, el trazado, se consigue aplicando la rampaascendente de un diente de sierra a dichas placas de deflexión horizontal. Eltiempo de esta rampa viene configurado por el mando regulador del tiempoque queramos por división. El movimiento de derecha a izquierda seconsigue en un tiempo mucho menor, ya que es la bajada de este diente desierra.Esta es la forma en la que trabaja un osciloscopio analógico. Podemos verque es bastante sencillo, pero esto también hace que las funciones de estesean limitadas.3.1.1.Osciloscopio digitalFigura 6. Bloques osciloscopio digitalLa diferencia entre el osciloscopio digital y el analógico la encontramosdespués de la etapa de entrada. Es decir, que la fase de amplificaciónatenuación será prácticamente la misma. En nuestro caso tendrá una-11-

Osciloscopio de bajo costepequeña diferencia, y es que la elección tanto del tipo de entrada quequeremos, AC, DC o GND, y escoger cuantos Volts y tiempo por divisiónqueremos, no se hará manualmente si no que se hará mediante el PC,aprovechando que no vamos a usar una pantalla para visualizar la señal sino que lo haremos mediante PC, y por tanto podemos usar el Software parahacer estas elecciones. Pero lo que es el montaje en si, es todo igual tantoen analógico como en digital.Después de esta etapa de entrada, encontramos el sistema de adquisiciónde datos. Este se basa en un ADC, que convertirá la señal analógica eninformación digital, una memoria que vendrá controlada por unoscontadores y un microcontrolador, el cual se encargará tanto de procesar laseñal para ser mostrada por PC, como de ordenar a los distintoscomponentes como se deben comportar para poder adquirir bien la señal,además de las elecciones anteriormente comentadas de la etapa deentrada. Este microcontrolador irá conectado mediante USB al ordenador,donde se visualizará la señal por software. Además, el trigger, disparo, aelegir entre flanco ascendente, flanco descendente, se hará también porsoftware.-12-

Osciloscopio de bajo costeCAPÍTULO 4OSCILOSCOPIO APROYECTAREl osciloscopio que se pretende diseñar tiene como objetivo ser económico,por ello se limitará en ciertas características que lo harán mas barato, perotambién empeorará su calidad. Se trata de un osciloscopio sencillo, no tienecomo final que se use para circuitos muy específicos, si no que haga lafunción general de un osciloscopio, la de mostrar la señal. A continuaciónveremos que factores influyen en la calidad y limitación de un osciloscopio.4.1. Factores que influyen en la calidad deun osciloscopio4.1.1.Ancho de bandaEsta característica indica el rango de frecuencias en el que el osciloscopiomedirá bien. Este valor irá desde continua, 0 Hz, hasta la frecuencia en laque la señal senoidal se atenúe 3 dB, o lo que es lo mismo, su amplitud seaproximadamente un 70% de lo esperado.4.1.2.Tiempo de subidaEs el tiempo de subida que veremos en las señales de pulsos. Unosciloscopio no puede visualizar pulsos con un tiempo de subida mayor que-13-

Osciloscopio de bajo costeel del propio osciloscopio, por tanto, esto influye mucho en la medida deseñales con pulsos.4.1.3.Sensibilidad verticalEste parámetro indica la mínima escala que tiene el osciloscopio en cuanto avisualización de señales pequeñas. Normalmente es de 5 mV/div. Esto nosmarca las señales mínimas que puede amplificar el osciloscopio4.1.4.VelocidadEn este caso, nos indica el mínimo tiempo posible que podemos visualizar.Cuanto mayor sea este valor, los eventos que podamos ver serán máslentos. En osciloscopios normales, oscilan los nanosegundos.4.1.5.Exactitud de la gananciaIndica, como su propio nombre indica, la exactitud que proporciona elosciloscopio a la hora de amplificar o atenuar la señal, según la escala deV/div que elijamos.4.1.6.Exactitud en la base de tiemposLo mismo que en el caso anterior, pero en este se indica la precisión quehay en la base de tiempos.4.1.7.Velocidad de muestreoSe da en los osciloscopios digitales. Es la velocidad con la que es capaz detomar el sistema de adquisición de datos un número de muestras. Vienedado por el ADC. Para ver periodos rápidos se precisan velocidades demuestreo altas, pero también son necesarias bajas para ver variaciones deseñales lentas.4.1.8.Resolución verticalSe mide en bits y es un parámetro que nos da la resolución del conversorADC. El número de bits del ADC es el que marca la precisión con la que seconvierten los datos.4.1.9.Longitud del registroIndica la cantidad de puntos que se pueden memorizar para reconstruir laonda. Esto depende exclusivamente de la memoria. Cuanto más puntos setengan que visualizar, más lento será el muestro de la señal.Estas son las características que creemos más importantes en la influenciade la calidad y, por tanto, el coste, del osciloscopio. Ahora entraremos ennuestro montaje y luego iremos viendo el porque de algunas elecciones quehemos hecho y como influyen en nuestro montaje.-14-

Osciloscopio de bajo coste4.2. Bloques osciloscopioEn este apartado veremos los bloques del osciloscopio explicados porseparado. Destacar que esta todo montado para un solo canal de entrada,el montaje será exactamente el mismo para el segundo canal.4.2.1.Etapa de entradaFigura 7. Circuito etapa de entradaComo se ha comentado anteriormente, la etapa de entrada de cualquierosciloscopio tiene siempre la misma función, por tanto la base siempre serála misma, cambiando cosas a placer del diseñador.En nuestro caso encontramos:Primero la elección de la entrada, si se desea en DC, AC o GND. Luego nosencontramos con la resistencia y condensador de entrada del osciloscopio,ambos valores típicos de cualquier osciloscopio.Posteriormente, tras un seguidor de tensión para aislar ambas partes delcircuito, nos encontramos con la parte amplificadora-atenuadora. Para estaparte hemos optado por poner un montaje amplificador inversor, y en vezde resistencias hemos puesto dos potenciometros digitales, que,controlados por microcontrolador, podemos poner distintos valores deresistencia para obtener distintas ganancias. La ganancia queda: POTDIG 2 POTDIG 2 Vo Vin· G POTDIG1 POTDIG1 -15-(1)

Osciloscopio de bajo costeDespués de la etapa de ganancia encontramos otro seguidor de tensiónpara volver a aislar el circuito y, finalmente, encontramos una etapainversora, ya que el amplificador anterior, para que tenga la capacidad deatenuar, debía de ser inversor, por tanto, necesitamos invertir otra vez laseñal para que no nos quede invertida.4.2.2.ADCFigura 8. Bloque ADCTras la etapa de entrada, nos encontramos con el ADC. Este componente esel que se encargará de convertir la señal analógica que se recibe de dichaetapa de entrada en datos binarios, para que puedan ser leídos por el restode componentes. Su salida, de n bits, se almacenará en una ura 9. Bloque memoria-16-

Osciloscopio de bajo costeEn la figura se muestra el montaje que se ha hecho para la memoria. Estase encargará del almacenar que provienen los datos del ADC. Sedireccionará mediante unos contadores que se controlarán por procesadormicrocontrolador. Este proceso de controlar la memoria por contadores envez de directamente desde el microcontrolador se hace, principalmente,para ganar velocidad y, además, porque así no utilizamos muchas patas delmicro solo para este propósito.4.2.4.MicrocontroladorFigura 10. Bloque microcontroladorEl microcontrolador es como el director del montaje. Desde aquí se dantodas las órdenes al circuito, desde elegir la escala de visionado hasta elenvío de información al PC. Sus funciones principales serán las de: Ordenar a los potenciómetros digitales que posición tomar, así tenerdistintas ganancias y, por tanto, escalas. Recibir la información proporcionada de la memoria. Controlar los contadores que dirigen la memoria. Enviar la información al PC.-17-

Osciloscopio de bajo coste4.2.5.Diagrama de bloques-18-

Osciloscopio de bajo coste4.3. Elección componentesEn este apartado se expondrán los componentes elegidos para cada etapa.Explicaremos el porque de cada elección, que depende de las característicasque busquemos en estos componentes. Lo que si que buscaremos en todoses que estén disponibles y que sean lo más económicos posible.4.3.1.Etapa de entradaEn esta etapa encontramos dos componentes principales a elegir: Amplificadores operacionales Potenciómetros digitalesDado que es la etapa donde se trata la señal de entrada, tenemos queencontrar componentes que añadan el mínimo error posible a dichaentrada. Buscamos precisión por encima de todo. Todo lo que soncomponentes pasivos, resistencias y condensadores, tendrán que tener lamínima tolerancia posible.Amplificadores operacionalesPara buscar la precisión que hemos comentado, tenemos que buscar queeste componente introduzca el mínimo ruido posible a la señal de entrada.Además, hemos buscado que tenga un ancho de banda un poco alto paraque no nos quede un osciloscopio muy corto de ancho de banda, ya queeste componente es el que marca esta característica de nuestroosciloscopio.El componente elegido ha sido el AD8676:Tabla 1. Características AD8676ModeloBW (Hz)Input offset voltage(V)AD867610M12uRin1000GInputNoiseVoltage(V/ Hz)2.5nInput NoiseCurrent(A/ Hz)Precio ( )2n3,92Como se puede comprobar, el precio no es excesivo y cumple con lascaracterísticas que buscábamos. Se han buscado más componentes, peropor falta de disponibilidad o por su alto precio, hemos acabado optando poreste.Lo hemos encontrado disponible en la página de Rs Amidata.-19-

Osciloscopio de bajo costePotenciómetros digitalesEn este componente, la característica principal que buscamos es que suvalor de resistencia tenga la mínima tolerancia posible. Como es conocido,el mínimo valor de tolerancia más conocida en el mercado es del 1%.Hemos buscado un integrado que tuviera, en un mismo modelo, dospotenciómetros incluidos, pero no lo hemos encontrado por el momento.Esta búsqueda se debe a que, generalmente, cuando uno de los dospotenciómetros tiene una tolerancia de un 1% para arriba o para abajo, elque esta a su lado la tiene hacia el lado contrario, con lo que se compensamás o menos ese error. Pero, como se ha dicho, de momento el modeloencontrado dispone de un único potenciómetro digital.El modelo elegido es el AD5293:Tabla 2. Características 0k, 50k o 100k520kTemperaturePrecio ( )coeficient35ppm/ºC3.11La mayoría de modelos encontrados, ofrecían una tolerancia del 20%,inadmisible en este proyecto. El producto se encuentra disponible en lapágina oficial de Analog Devices.4.3.2.ADCEn esta etapa sólo tenemos que elegir el conversor analógico digital. Lascaracterísticas principales que buscamos en este conversor son: el númerode bits, su máxima frecuencia y, a ser posible, que incluya Sample & Holdintegrado.Dado que los ADC de los osciloscopios digitales suelen ser habitualmente de8 bits, buscaremos un conversor de ese número de bits.El modelo elegido es el AD7822:Tabla 3. Características AD7822ModeloAD7822BW (Hz)2MBits8S&HSíPrecio ( )7,33Se trata de un ADC de la tecnología half-flash. Los otros modelosencontrados eran muy parecidos a este, ya que ADCs hay muchos en elmercado, pero el hecho que este disponga de S&H integrado es lo que hahecho que nos decantemos por él.Se encuentra disponible en Rs Amidata.-20-

Osciloscopio de bajo coste4.3.3.Memoria y contadoresEn este bloque tenemos que buscar dos componentes, la memoria y loscontadores que vamos a usar.MemoriaComo ya se sabe, existen dos tipos de memoria, la estática y la dinámica.La estática es más cara que la dinámica, pero su uso es más sencillo y sonmás rápidas que las dinámicas. Debido a que no necesitamos una memoriaexcesivamente grande, hemos optado por escoger una memoria estáticapor las razones expuestas. Que el tamaño de la memoria no sea muygrande hace que su precio no se dispare.El modelo elegido es uPD431000A:Tabla 4. Características ado1Tiempo acceso120nsTamaño8 bits x 128kPrecio ( )2,6El precio no es muy alto, y además, nos es muy fácil acceder a ella ya quela hemos encontrado disponible en Onda Radio.ContadoresEn este caso, hemos buscado sencillamente unos contadores que seanrápidos y comunes. Los más encontrados son contadores de 8 bits, por loque hemos optado por poner dos en cascada simulando uno de 16 bits.El modelo escogido es 74F269:Tabla 5. Características 74F269Modelo74F269Pins24Bits8Fmáx115MHzPrecio ( )3,66Se trata de un contador Up/Down de 8 bits. Es un modelo muy barato, deuna alta frecuencia máxima y, además, común en otros trabajosinvestigados.Se encuentra disponible en Rs Amidata.4.3.4.MicrocontroladorEn este apartado se va a realizar una breve descripción del método deelección que se ha seguido para la elección del microcontrolador que vamosa utilizar.-21-

Osciloscopio de bajo costePara escoger el microcontrolador hemos tenido en cuenta, entre otrascosas, que fuese bastante conocido y utilizado, para poder encontrarinformación fácilmente. Además, debía cumplir una serie de requisitosimpuestos por nuestro montaje, para que pudiera funcionar bien en nuestroosciloscopio.Buscando información por la Web y pidiendo consejo a personas másexperimentadas, se decidió utilizar un PIC (Peripheral Interface Controller),ya que son unos dispositivos muy fácilmente programables y que están enplena expansión en el mundo de la electrónica. Existen multitud demanuales de funcionamiento y de programación de estos dispositivos, asícomo páginas Web donde se solucionan problemas típicos de estosmicrocontroladores, y por eso se optó por esta opción.Aún así, debíamos encontrar el PIC que cumpliera los requisitos paranuestro osciloscopio.Las características que creemos que eran más importantes para la eleccióndel PIC, eran la velocidad y la memoria del mismo, ya que, debería tenersuficiente capacidad para guardar y ejecutar las funciones del programa quese iban a introducir. Por eso, se empezó a investigar en las característicasque ofrecían estos dispositivos y, de esta forma, encontramos los PIC de lafamilia PIC18, que son los que tienen las prestaciones más elevadas. Lascaracterísticas fundamentales de esta familia de PIC son las siguientes:Arquitectura RISC avanzada Harvard: 16 bits con 8 bits de datos77 instruccionesDesde 18 a 80 pinesHasta 64K bytes de programaMultiplicador Hardware 8x8Hasta 3968 bytes de RAM y 1 Kbytes de EEPROMFrecuencia máxima de reloj 40MHzPila de 32 nivelesMúltiples fuentes de interrupciónPeriféricos de comunicación avanzada (CAN y USB)Esta última característica nos pareció muy interesante ya que estos PIC,vienen dotados de un soporte nativo para USB, es decir, incluyen uncontrolador interno que ya proporciona las patas de salida para conectarlodirectamente al PC. Esto, nos sirvió para acabar de decantarnos por lautilización de los PIC ya que, una parte del osciloscopio que más problemaspensamos que nos podría dar, era la conexión de nuestra placa con el PC, yesto, nos podía ahorrar muchos dolores de cabeza.Teniendo en cuenta las característicasdecantamos finalmente por el PIC18F4550.descritasanteriormenteTabla 6. Características principales PIC18F4550-22-nos

Osciloscopio de bajo costeModeloPIC18F4550Pins40Flash (bytes)32kUSBSiFmax48 MHzPrecio ( )5Sobre este modelo hemos encontrado mucha información en Internet,manuales, ejemplos de uso, etc. Esta ha sido otra razón que nos ha llevadoa escoger este modelo. Sus 32 kb de memoria flash son más que suficientespara introducir el programa.Se encuentra disponible en la página oficial de Microchip, la empresacreadora de estos tipos de microcontrolador, los PIC y, además, en RsAmidata.A continuación, analizaremos más a fondo este modelo y la información quehemos visto sobre él.PIC 18F4550El PIC finalmente escogido tiene las siguientes características:Tabla 7. Características PIC18F4550Tal y como se puede observar en la tabla

Debido a que el funcionamiento del osciloscopio analógico y digital es parecido, primero se explicará el funcionamiento de un osciloscopio analógico y luego se verán las diferencias entre uno y otro. 3.1.1. Osciloscopio analógico . Figura 5. Bloques osciloscopio analógico .